Αντοχή µηχανικά καταπονηµένων χαλύβων σε υψηλή θερµοκρασία

Αντοχή µηχανικά καταπονηµένων χαλύβων σε υψηλή θερµοκρασία Α. Οικονόµου Μηχανολόγος Μηχανικός Α.Π.Θ.,Msc Επιστήµης και Τεχνολογίας Υλικών. Σ. Μουγιάκος Μηχανικός µεταλλείων-μεταλλουργός.κ.ε..ε. ΥΠΕΧΩ Ε Λέξεις κλειδιά: Χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος, Tempcore, εφελκυσµός, κάµψη, θερµικές κατεργασίες. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Σκοπός της εργασίας είναι η διαπίστωση της επίδρασης της θερµοκρασίας στην αντοχή χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος S500s µετά από µηχανική καταπόνησή του (προένταση ή κάµψη). Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκαν τέσσερα θερµοκρασιακά πεδία µε αντίστοιχους χρόνους έκθεσης. Εξετάστηκαν δοκίµια διαµέτρου 10mm και 20mm, συνολικού µήκους 25cm και 50cm, αντίστοιχα. Οι µηχανικές ιδιότητες του χάλυβα που µελετήθηκαν είναι το όριο διαρροής, το µέγιστο φορτίο, ο λόγος κράτυνσης, η ενέργεια, η επιµήκυνση µετά τη θραύση και η επιµήκυνση στο µέγιστο φορτίο. Η αναζήτηση σχέσεων ανάµεσα στον κάθε επιδρώντα παράγοντα ή και συνδυασµού τους και στις µηχανικές ιδιότητες του προϊόντος έγινε µε στατιστική ανάλυση (ANOVA). Οι µεταλλογραφικοί έλεγχοι επικεντρώθηκαν σε δοκίµια διαµέτρου 20mm, που δεν είχαν υποστεί δοκιµή εφελκυσµού. 1 ΤΟ ΠΡΟΪΟΝ Το σύνολο των πειραµάτων που διεξάχθηκαν αφορούν προϊόν χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος S500s, τύπου Tempcore µε νευρώσεις, παραγωγής ΣΙ ΕΝΟΡ. Εξετάστηκαν δοκίµια δύο διαµέτρων, 20[mm] και 10[mm], συνολικού µήκους 50cm και 25cm, αντίστοιχα, µε ονοµαστικά γεωµετρικά µεγέθη, Κ.Τ.Χ. (2000), που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 και µηχανικά χαρακτηριστικά εκείνα του Πίνακα 2. Πίνακας 1. Ονοµαστικά µεγέθη, διάµετρος, διατοµή και µάζα Ονοµαστική διάµετρος, d Ονοµαστική διατοµή, A Ονοµαστική µάζα mm mm 2 Ανοχές (%) kg/mm 10 20 78.5 314 ±8 ±6 0.617 2.47 Πίνακας 2 Μηχανικά χαρακτηριστικά εξεταζόµενου προϊόντος από την κατασκευαστική εταιρία ΣΙ ΕΝΟΡ Μέγεθος Μηχανικά χαρακτηριστικά χάλυβα ΣΙ ΕΝΟΡ Απαιτούµενα µηχανικά χαρακτηριστικά από Κ.Τ.Χ. Όριο διαρροής, R e 500 500 Εφελκυστική αντοχή, R m Λόγος κράτυνσης R m /R e 600 1.15 550 1.05 Ελάχιστη επιµήκυνση µετά τη θραύση, ε 5 (%) 15 12 Ελάχιστη επιµήκυνση στο µέγιστο φορτίο, ε u (%) 8.0 7.0 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 1

2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Για το σκοπό της εργασίας σχεδιάστηκαν τέσσερις κατηγορίες πειραµάτων, Οικονόµου (2005). Στην πρώτη κατηγορία Α µελετήθηκε η επίδραση της θερµοκρασίας στις µηχανικές ιδιότητες του οπλισµού. Πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα εφελκυσµού σε µη καταπονηµένα µηχανικά, δοκίµια, αφού πρώτα εκτέθηκαν σε τέσσερα διαφορετικά θερµοκρασιακά πεδία. Στην δεύτερη κατηγορία πειραµάτων Β µελετήθηκε η επίδραση της θερµοκρασίας στις µηχανικές ιδιότητες προτεταµένου οπλισµού. Πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα εφελκυσµού σε προτεταµένα δοκίµια, τα οποία µετά την προέντασή τους εκτέθηκαν στα ίδια τέσσερα θερµοκρασιακά πεδία. Η τρίτη και τέταρτη κατηγορία πειραµάτων, ως στόχο είχαν την εκτίµηση της επίδρασης της θερµοκρασίας σε κεκαµµένο οπλισµό. Έτσι, στην τρίτη κατηγορία Γ τα δοκίµια κάµφθηκαν, στη συνέχεια εκτέθηκαν στους 600 ο C για 30 λεπτά και τέλος, ευθυγραµµίστηκαν, πριν εφελκυστούν, ενώ στην τέταρτη κατηγορία τα δοκίµια κάµφθηκαν, επανευθυγραµµίστηκαν αµέσως µετά την κάµψη και στη συνέχεια θερµάνθηκαν, πριν εφελκυστούν. Οι φάσεις κατεργασίας που υπέστησαν τα δοκίµια σύµφωνα µε το σχεδιασµό των τεσσάρων κατηγοριών πειραµάτων είναι η θέρµανση, η προένταση, η κάµψη, η επανευθυγράµµιση και τέλος, ο εφελκυσµός των δοκιµίων. Θέρµανση Προκειµένου να προσδιοριστεί η πιθανή µεταβολή των µηχανικών ιδιοτήτων του χάλυβα οπλισµού σε περίπτωση έκθεσής του σε υψηλές θερµοκρασίες, όπως αυτές µιας πραγµατικής πυρκαγιάς, είναι απαραίτητο τα δείγµατα να ληφθούν από το υλικό που εκτιµάται ότι έχει επηρεαστεί, άρα που έχει εκτεθεί σε υψηλές θερµοκρασίες, Κ.Τ.Χ. (2000). Σε αυτή τη συνθήκη έγινε προσπάθεια να εστιαστεί η εργασία και για αυτό τα δοκίµια θερµάνθηκαν σε θερµοκρασίες όµοιες µε αυτές στις οποίες εκτίθεται ο οπλισµός σε µια πραγµατική πυρκαγιά, λαµβανοµένης υπόψη της περιβολής του από σκυρόδεµα. Οι εν θερµώ δοκιµές εφελκυσµού, αν και πιστότερες στις πραγµατικές συνθήκες, κρίθηκαν ιδιαίτερα χρονοβόρες και µε απαγορευτικό κόστος. Επιλέχθηκε να εξεταστούν τέσσερα θερµοκρασιακά πεδία, η θερµοκρασία περιβάλλοντος, οι 450 ο C για χρόνο έκθεσης 20 λεπτών, οι 600 ο C για χρόνο έκθεσης 30 λεπτών και οι 750 ο C για χρόνο έκθεσης 40 λεπτών. Θερµοκρασίες µικρότερες των 450 o C δεν εξετάστηκαν, δεδοµένου ότι η έκθεση χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος σε τόσο χαµηλές θερµοκρασίες δεν δικαιολογούν σηµαντικές διαφοροποιήσεις στις µηχανικές ιδιότητες ή τη µικροδοµή του χάλυβα, Κ.Τ.Χ. (2000). Η θερµοκρασία των 750 o C επιλέχθηκε ως ανώτερη, διότι στην περίπτωση πυρκαγιάς σπάνια παρατηρούνται υψηλότερες θερµοκρασίες έκθεσης των χαλύβων οπλισµού. Το µέγεθος δείγµατος σε κάθε πείραµα επιλέχθηκε να είναι τουλάχιστον τρία (3) δοκίµια ανά εξεταζόµενη θερµοκρασία. Η θέρµανση των δοκιµίων έγινε σε φούρνο ανακυκλοφορίας αέρα, τύπου N60/85A, µέγιστης θερµοκρασίας 850 ο C, εσωτερικών διαστάσεων 350x500x350mm 3 και ισχύος 9kW της εταιρίας Nabertherm, ο οποίος διατέθηκε από το ΕΛ.ΚΕ.ΜΕ. Προγραµµατίστηκαν τρεις παρτίδες δοκιµίων, µία για κάθε θερµοκρασία, ώστε να ισχύουν οι ίδιες ακριβώς συνθήκες θέρµανσης για όλα τα δοκίµια που εκτέθηκαν στην ίδια θερµοκρασία. H απόψυξη των δοκιµίων επιλέχθηκε να γίνει µε κλειστή την πόρτα του φούρνου (furnace cooling), µε σκοπό την προσοµοίωση των χειρότερων συνθηκών απόψυξης κτιρίου (υψηλές και για µεγάλο χρονικό διάστηµα παραµένουσες θερµοκρασίες). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 2

Προεφελκυσµός Ο προεφελκυσµός των δοκιµίων που προορίζονταν για τη δεύτερη κατηγορία πειραµάτων, έγινε µε µέτρηση µετά από εφελκυσµό, της τοπικής πλαστικής παραµόρφωσης του δοκιµίου. Η µέτρηση έγινε σε διάστηµα µήκους 100mm, στο κέντρο περίπου του δοκιµίου, ώστε να απέχει από την περιοχή σύσφιξης των σιαγόνων απόσταση ικανή για να µην επηρεάζεται η συµπεριφορά του υλικού στο µετρούµενο διάστηµα. Η σήµανση του διαστήµατος αυτού έγινε µε ακροδέκτες πριν τον εφελκυσµό. Τα δοκίµια εφελκύστηκαν εµπειρικά µέχρι εκείνο το σηµείο της αποτυπούµενης στην οθόνη καµπύλης τάσης-παραµόρφωσης, µέχρι το οποίο εκτιµήθηκε ότι η τοπική πλαστική παραµόρφωση δεν θα υπερέβαινε το 10. εκτά έγιναν µόνον τα δοκίµια εκείνα, για τα οποία το µέγεθος της τοπικής πλαστικής παραµόρφωσης βρισκόταν µέσα στο απαιτούµενο εύρος 3-10, Οικονόµου (2005). Κάµψη τριών σηµείων Για την κάµψη των δοκιµίων διαµέτρου 20 χρησιµοποιήθηκαν πείροι διαµέτρων 140 (προβλεπόµενος από Κ.Τ.Χ. (2000)) και 70 (συνηθέστερα χρησιµοποιούµενος στην πράξη), ενώ για την κάµψη των δοκιµίων διαµέτρου 10 χρησιµοποιήθηκαν, κατά αντιστοιχία, πείροι διαµέτρων 40 και 20. Η επανευθυγράµµιση του συνόλου των δοκιµίων έγινε σε ιδιοσυσκευή υδραυλικής ανάκαµψης, την οποία διέθεσε το Κ.Ε..Ε. Εφελκυσµός Το σύνολο των δοκιµών εφελκυσµού πραγµατοποιήθηκε στο Κ.Ε..Ε. σύµφωνα µε το πρότυπο του ISO 6892 (1998) σε µηχανή δυναµικότητας 100 τόνων, κατασκευής INSTRON, τύπου 5594- HVL. 3 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Ο µεταλλογραφικός έλεγχος αφορά αποκλειστικά δοκίµια διαµέτρου 20, που δεν έχουν υποστεί δοκιµή εφελκυσµού και κεκαµµένα δοκίµια, που κάµφθηκαν αποκλειστικά µε πείρο κάµψης προδιαγραφόµενης διαµέτρου. Τα τµήµατα των δοκιµίων που υποβλήθηκαν σε µεταλλογραφικό έλεγχο λήφθηκαν από το κέντρο της ράβδου, ενώ για τα κεκαµµένα ή κεκαµµένα και επανευθυγραµµισµένα δοκίµια τα τµήµατα λήφθηκαν από το µέσον της περιοχής της γωνίας κάµψης. 4 ΈΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟ ΟΧΗΣ Τα µηχανικά χαρακτηριστικά του εξεταζόµενου προϊόντος (αφορά τα χαρακτηριστικά ελέγχου, δηλαδή το όριο διαρροής, R e, το όριο θραύσης, R m, τον λόγο κράτυνσης, R m /R e, την επιµήκυνση µετά τη θραύση, ε 5, και την επιµήκυνση στο µέγιστο φορτίο, ε u ) οφείλουν να είναι σύµφωνα µε τα µηχανικά χαρακτηριστικά, όπως αυτά καθορίζονται για τους Χ.Ο.Σ. της κατηγορίας S500 στον Κ.Τ.Χ., κατά ΕΛΟΤ 959 και ΕΛΟΤ 971. Στα πλαίσια αυτά έγιναν έλεγχοι αποδοχής των µετρούµενων µηχανικών χαρακτηριστικών, που προέκυψαν από τις δοκιµές εφελκυσµού. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 3

5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Όριο ιαρροής, R e (Κ.Τ.Χ.: f y ) 650 Μετρούµενο όριο διαρροής, R e [MPa] 600 550 500 450 400 350 20ºC Ø20 20ºC Ø10 450ºC Ø20 450ºC Ø10 600ºC Ø20 600ºC Ø10 750ºC Ø20 750ºC Ø10 300 A B Γ Εικόνα 1 Επίδραση θερµικών και µηχανικών καταπονήσεων στο όριο διαρροής. Γενικά, η σκλήρυνση του δοκιµίου, που µπορεί να προέρχεται από µηχανική κατεργασία του υλικού, συνεπάγεται αύξηση του ορίου διαρροής µε το όριο θραύσης να παραµένει στα ίδια επίπεδα. Ωστόσο, για τους 20 ο C, το όριο διαρροής φαίνεται να µην παρουσιάζει διαφορές στις τρεις κατηγορίες πειραµάτων Α, Β και. Εξαίρεση αποτελούν τα δοκίµια διαµέτρου 20, τα οποία έχουν καµφθεί µε πείρο µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου και για τα οποία η τιµή του ορίου διαρροής είναι σαφώς µειωµένη. Συµπεραίνεται, έτσι, ότι η προένταση ή η κάµψη δεν επέφερε σηµαντική σκλήρυνση του υλικού, σε βαθµό ώστε να επηρεαστούν τα µηχανικά χαρακτηριστικά του. Μετά από θέρµανση για 20 λεπτά στους 450 ο C, το όριο διαρροής των προτεταµένων δοκιµίων της κατηγορίας Β εµφανίζεται ψηλότερα από τις κατηγορίες Α και, οι οποίες εµφανίζουν συγκρίσιµα επίπεδα τιµών. Φαίνεται πως ο συνδυασµός προέντασης και σκλήρωσης λόγω κατακρηµνίσεων έχει άµεση επίπτωση στην τιµή του ορίου διαρροής, για τα δοκίµια διαµέτρου 20. Τα δοκίµια διαµέτρου 10 εµφανίζουν σχεδόν τα ίδια επίπεδα τιµών και στις τρεις κατηγορίες πειραµάτων. Μετά από θέρµανση στους 600 ο C, το όριο διαρροής εµφανίζει τις ίδιες τιµές, ανεξαρτήτως θερµικής ή µηχανικής κατεργασίας των δοκιµίων και ανεξαρτήτως διαµέτρου. Μοναδική εξαίρεση αποτελεί η σαφώς µειωµένη τιµή του ορίου διαρροής, στην περίπτωση κεκαµµένου δοκιµίου διαµέτρου 20 µε µη προδιαγραφόµενο πείρο κάµψης. Τέλος, στους 750 ο C και οι τρεις κατηγορίες πειραµάτων εµφανίζουν τιµές στα ίδια σχεδόν επίπεδα, µε τις τιµές του ορίου διαρροής ελάχιστα υψηλότερες στην περίπτωση κεκαµµένων δοκιµίων µε πείρο µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 4

Μέγιστο φορτίο UTS (Ultimate Tensile Strength), F 250 Μέγιστο φορτίο, F [knt] 200 20ºC Ø20 20ºC Ø10 150 450ºC Ø20 450ºC Ø10 100 600ºC Ø20 600ºC Ø10 750ºC Ø20 750ºC Ø10 50 0 A B Γ Εικόνα 2 Επίδραση θερµικών και µηχανικών καταπονήσεων στο µέγιστο φορτίο. Οι παρατηρήσεις αναφέρονται σε δοκίµια διαµέτρου 20: Για τους 20 ο C, το µέγιστο φορτίο που επιδέχεται το σύνολο των δοκιµίων και των τριών κατηγοριών κυµαίνεται στις ίδιες τιµές, µε εξαίρεση το φορτίο που επιδέχονται τα κεκαµµένα δοκίµια της κατηγορίας µε πείρο µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου, για τα οποία το µέγιστο επιβαλλόµενο φορτίο είναι ελάχιστα µειωµένο. Οι τιµές του µέγιστου φορτίου, µετά από θέρµανση για 20 λεπτά στους 450 ο C, ακολουθούν τα ίδια επίπεδα τιµών, αλλά και την ίδια συµπεριφορά στις τρεις συγκρινόµενες κατηγορίες πειραµάτων, µε τα µη κατεργασµένα, θερµικά, δοκίµια. Ελάχιστα µειωµένες είναι οι τιµές του φορτίου, µετά από θέρµανση για 30 λεπτά στους 600 ο C, σε σχέση µε τα προηγούµενα δύο θερµοκρασιακά πεδία, ενώ η διακύµανση ανάµεσα στις τιµές που εµφανίζουν οι διαφορετικές κατηγορίες πειραµάτων είναι αµελητέα. Σηµαντικά µειωµένες σε σχέση µε κάθε άλλο θερµοκρασιακό επίπεδο, αλλά στα ίδια επίπεδα τιµών ανάµεσα στις τρεις κατηγορίες, είναι οι τιµές του φορτίου µετά από θέρµανση για 40 λεπτά στους 750 ο C. Οι παρατηρήσεις αναφέρονται σε δοκίµια διαµέτρου 10: Οι τιµές του µέγιστου φορτίου παραµένουν στα ίδια επίπεδα σε όλες τις κατηγορίες πειραµάτων και ανεξαρτήτως διαµέτρου τυµπάνου πείρου κάµψης, για τα τρία πρώτα θερµοκρασιακά επίπεδα. Μειωµένες εµφανίζονται οι τιµές µετά από θέρµανση στους 750 ο C για 40 λεπτά, αλλά στα ίδια επίπεδα για τις τρεις κατηγορίες πειραµάτων. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 5

Λόγος Κράτυνσης, R m R e (Κ.Τ.Χ.: f t f y ) 1.5 Όριο θραύσης/όριο διαρροής, Rm/Re 1.45 20ºC Ø20 20ºC Ø10 1.4 1.35 1.3 450ºC Ø20 450ºC Ø10 600ºC Ø20 600ºC Ø10 750ºC Ø20 750ºC Ø10 1.25 1.2 1.15 1.1 A B Γ Εικόνα 3 Επίδραση θερµικών και µηχανικών καταπονήσεων στον λόγο κράτυνσης. Οι παρατηρήσεις αναφέρονται σε δοκίµια διαµέτρου 20: Για τους 20 ο C ο λόγος κράτυνσης παρουσιάζει αύξηση στην περίπτωση κεκαµµένων δοκιµίων, εντονότερα, δε, στην περίπτωση δοκιµίων που έχουν καµφθεί µε µη προδιαγραφόµενο πείρο κάµψης. Οι τιµές στους 20 ο C είναι οι υψηλότερες σηµειούµενες, ανάµεσα στα τρία πρώτα θερµοκρασιακά πεδία. Αύξηση του ορίου κράτυνσης εµφανίζουν τα δοκίµια της κατηγορίας µετά από θέρµανση στους 450 ο C, ενώ πρακτικά στα ίδια επίπεδα κυµαίνονται οι τιµές για όλες τις κατηγορίες στα υπόλοιπα θερµοκρασιακά πεδία. Ίδια είναι και η συµπεριφορά των τιµών στις διαφορετικές κατηγορίες πειραµάτων µετά από θέρµανση στους 750 ο C, µετατοπισµένες, όµως, σηµαντικά προς τα πάνω σε σχέση µε τα υπόλοιπα θερµοκρασιακά πεδία. Οι παρατηρήσεις αναφέρονται σε δοκίµια διαµέτρου 10 Ανάλογη είναι η διακύµανση των τιµών του λόγου κράτυνσης ανάµεσα στις διαφορετικές κατηγορίες πειραµάτων για τα δοκίµια διαµέτρου 10, σε χαµηλότερα όµως επίπεδα τιµών και µε µηδενική την επίδραση του πείρου κάµψης. Ενέργεια, E Οι παρατηρήσεις αναφέρονται σε δοκίµια διαµέτρου 20: Στα χαµηλότερα επίπεδα εµφανίζεται η ολκιµότητα των δοκιµίων που δεν έχουν υποστεί θερµική κατεργασία, µε ελάχιστη αύξηση για τα κεκαµµένα δοκίµια, ιδιαίτερα αυτά για τα οποία χρησιµοποιήθηκε πείρος µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 6

8700 Ενέργεια, E [J] 7700 6700 5700 4700 3700 2700 1700 20ºC Ø20 20ºC Ø10 450ºC Ø20 450ºC Ø10 600ºC Ø20 600ºC Ø10 750ºC Ø20 750ºC Ø10 700 A B Γ Εικόνα 4 Επίδραση θερµικών και µηχανικών καταπονήσεων στο µέγεθος της ενέργειας. Στα ίδια περίπου επίπεδα εµφανίζονται οι τιµές για τις κατηγορίες Α και Β, µετά από θέρµανση στους 450 ο C και τους 600 ο C, µε µείωση της ολκιµότητας για την κατηγορία κεκαµµένων δοκιµίων, αµελητέα στην περίπτωση των 600 ο C και εντονότερη στην περίπτωση των 450 ο C. Την πτώση αυτή δεν ακολουθούν τα δοκίµια που έχουν καµφθεί µε µη προδιαγραφόµενο πείρο κάµψης. Τέλος, µετά από έκθεση στους 750 ο C οι τιµές της ολκιµότητας είναι γενικά αυξηµένες σε σχέση µε τα υπόλοιπα θερµοκρασιακά πεδία και µειωµένες για την κατηγορία των κεκαµµένων δοκιµίων σε σχέση µε τα δοκίµια των κατηγοριών Α και Β. Οι παρατηρήσεις αναφέρονται σε δοκίµια διαµέτρου 10: Ελάχιστες διακυµάνσεις ανάµεσα στις διαφορετικές κατηγορίες πειραµάτων εµφανίζουν οι τιµές της ολκιµότητας για τα δοκίµια διαµέτρου 10, µε τις τιµές στα υψηλότερα επίπεδα µετά από θέρµανση στους 750 ο C σε σχέση µε τα υπόλοιπα τρία θερµοκρασιακά πεδία. 6 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ οκίµια στους 20 o C Στις τρεις µικρογραφίες που παρατίθενται, Εικόνα 5, είναι φανερή η διάκριση τριών ζωνών, της ζώνης του πυρήνα του δοκιµίου µε φερριτοπερλιτική δοµή (αριστερά), της ενδιάµεσης ζώνης που χαρακτηρίζεται από µπαινιτική δοµή (µέσον) και τέλος της εξωτερικής ζώνης, φλοιός του δοκιµίου (δεξιά) µε δοµή επαναφερµένου µαρτενσίτη. Το δοκίµιο χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα λεπτόκοκκη δοµή σε σύγκριση µε κάθε άλλο δοκίµιο, όπως παρατηρήθηκε στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο. Πυρήνας: φερριτοπερλιτική δοµή (Εικόνα 5, αριστερά). Ο πυρήνας των ράβδων TEMPCORE µετασχηµατίζεται ισοθερµοκρασιακά σε φερρίτη (λευκή φάση) και περλίτη (σκούρα φάση). Η θερµοκρασία µετασχηµατισµού του πυρήνα της ράβδου, κατά την έναρξη του τρίτου σταδίου, µειώνεται µε αύξηση της διάρκειας του πρώτου σταδίου. Η θερµοκρασία αυτή επηρεάζει την µικρογραφική δοµή στον πυρήνα της ράβδου και συγκεκριµένα, καθώς η θερµοκρασία αυτή 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 7

Εικόνα 5 Πυρήνας (αριστερά), ενδιάµεση ζώνη (µέσον) και φλοιός (δεξιά) δοκιµίου που δεν έχει υποστεί καµία µηχανική ή θερµική καταπόνηση. µειώνεται, οι φερριτικοί κόκκοι δεν παρουσιάζονται ισοαξονικοί αλλά αποκτούν βελονοειδή (acicular) µορφή. Μεταξύ των φερριτικών κόκκων αναπτύσσεται περλίτης (σκούρα φάση), Νικολάου (2004). Ενδιάµεση ζώνη: µπαινιτική δοµή (Εικόνα 5, µέσον). Προς το εσωτερικό της ράβδου και σε ορισµένο βάθος από της επιφάνεια ο ρυθµός απόψυξης ευνοεί τον µπαινιτικό µετασχηµατισµό. Για να φανεί καλύτερα ο µπαινίτης είναι απαραίτητη περαιτέρω επεξεργασία του δοκιµίου µε προσβολή µε ειδικό αντιδραστήριο, Na2S2O5 (Sodium metabisulfate). Εξωτερική ζώνη: δοµή επαναφερµένου µαρτενσίτη (Εικόνα 5, δεξιά). Η µικροδοµή στην εξωτερική στοιβάδα της ράβδου είναι εµφανώς λεπτή. Μεταξύ των βελόνων µαρτενσίτη, παρατηρούνται περιοχές φερρίτη (λευκή φάση) που έχουν προκύψει µετά από την διάσπαση του υπολειπόµενου ωστενίτη µε µπαινιτικό µετασχηµατισµό, κατά το τρίτο στάδιο της παραγωγικής διαδικασίας. οκίµια στους 450oC Μετά από έκθεση του δοκιµίου στους 450οC για 20 λεπτά διακρίνονται ακόµα οι τρεις ζώνες, Εικόνα 6. Εικόνα 6 Πυρήνας (αριστερά), ενδιάµεση ζώνη (µέσον) και φλοιός (δεξιά) προτεταµένου δοκιµίου, το οποίο έχει εκτεθεί στους 450οC για 20 λεπτά. Το εύρος της µπαινιτικής ζώνης έχει περιοριστεί δραστικά και η διάκριση της µικροδοµής της από αυτή του πυρήνα είναι δύσκολη. Η µικροδοµή του δοκιµίου συνεχίζει να είναι λεπτόκοκκη. Υπάρχει σαφής αλλά όχι εκτεταµένη µεγέθυνση των κόκκων, σε σχέση µε τους 20οC, και στις τρεις ζώνες, γεγονός που εξηγείται από τη θέρµανση που έλαβε χώρα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 8

Ιδιαίτερα αισθητή γίνεται η µεγέθυνση των κόκκων στο φλοιό του δοκιµίου (Εικόνα 6, δεξιά). Κατά τη θέρµανση αξιόλογες µεταβολές στη µικροδοµή εντοπίζονται κυρίως στην εξωτερική στοιβάδα και συνδέονται µε φαινόµενα περαιτέρω επαναφοράς της δοµής. Τέλος, στην ίδια εικόνα φαίνεται να υπάρχουν κατακρηµνίσεις καρβιδίων λόγω της επαναφοράς. οκίµια στους 600oC Μετά από έκθεση του δοκιµίου στους 600οC για 30 λεπτά τα όρια µεταξύ των ζωνών γίνονται πιο δυσδιάκριτα, Εικόνα 7. Η µικροδοµή του δοκιµίου παύει να είναι το ίδιο λεπτόκοκκη. Εικόνα 7 Πυρήνας (αριστερά), ενδιάµεση ζώνη (µέσον) και φλοιός (δεξιά) προτεταµένου δοκιµίου, το οποίο έχει εκτεθεί στους 600οC για 30 λεπτά. Η µπαινιτική δοµή έχει χαθεί και στη µικρογραφία φαίνεται µόνο η φερριτοπερλιτική δοµή µε ευµεγέθεις κόκκους (Εικόνα 7, µέσον). Το εύρος της µαρτενσιτικής ζώνης έχει περιοριστεί σηµαντικά. Επίσης, παρατηρείται σφαιροποίηση του µαρτενσίτη (Εικόνα 7, δεξιά). Τα άσπρα στίγµατα που διακρίνονται εκτιµάται ότι είναι φερρίτης, που προήλθε από τη διάσπαση του υπολειπόµενου ωστενίτη σε σταθερότερα προϊόντα (φερρίτη και καρβίδια) µε τον αργό ρυθµό απόψυξης (furnace cooling). οκίµια στους 750οC Μετά από έκθεση του δοκιµίου στους 750οC για 30 λεπτά δεν υπάρχουν σαφή όρια µεταξύ των ζωνών, Εικόνα 8. Η µικροδοµή έχει σαφώς επηρεαστεί. ιακρίνεται µεγέθυνση των κόκκων και πλήρης απώλεια της µαρτενσιτικής ζώνης. Στην ουσία, σε όλο το εύρος παρατήρησης στο οπτικό µικροσκόπιο, διακρίνεται µόνον η φερριτοπερλιτική δοµή. Αυτό συµβαίνει διότι στους 750οC λαµβάνει χώρα µερική ωστενιτοποίηση του µετάλλου και αφού η απόψυξη είναι αργή (furnace cooling) τα προϊόντα είναι αυτά τα οποία προβλέπονται από το µετασταθές διάγραµµα σιδήρου-σεµεντίτη, για χάλυβα περιεκτικότητας 0,18-0,20% σε C, δηλαδή φερρίτης (λευκή φάση) και περλίτης (σκούρα φάση) σε όλη την έκταση του δοκιµίου και µε ευµεγέθεις κόκκους. Σύµφωνα µε τον ίδιο συλλογισµό, λόγω υπέρβασης της καµπύλης Αc1 κατά την θερµική κατεργασία, στη δοµή υπάρχει και προευτηκτοειδής φερρίτης. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 9

Εικόνα 8 Πυρήνας (αριστερά), ενδιάµεση ζώνη (µέσον) και φλοιός (δεξιά) προτεταµένου δοκιµίου, το οποίο έχει εκτεθεί στους 750 ο C για 40 λεπτά. 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Θερµοκρασία Το σύνολο των µηχανικών ιδιοτήτων εµφανίζει µια αδράνεια στην καταστροφική επίδραση της θέρµανσης µέχρι τους 600 ο C, για τους χρόνους έκθεσής τους. Αν και µε παρατεταµένη θέρµανση αναµένεται έκπτωση των µηχανικών ιδιοτήτων, η έκθεση των δοκιµίων στους 450 ο C για 20 λεπτά δεν φάνηκε να επιδρά στις µηχανικές ιδιότητές τους. Η θέρµανση, που ευνοεί τις κατακρηµνίσεις καρβιδίων λόγω της επαναφοράς του χάλυβα, σε συνδυασµό µε τη διατήρηση σε αυτή τη θερµοκρασία του µαρτενσιτικού φλοιού του προϊόντος TEMPCORE σε όλο του σχεδόν το πάχος, όχι µόνον διατηρεί τη σκληρότητα του δοκιµίου στα επίπεδα των µη κατεργασµένων θερµικά δοκιµίων, αλλά και επιδρά συχνά αυξητικά στις µηχανικές ιδιότητές τους. Το φαινόµενο αν και εµφανίστηκε συστηµατικά είτε µε αύξηση του ορίου διαρροής, είτε µε αύξηση της τιµής µέγιστου επιδεχόµενου φορτίου, είτε τέλος µε τη µείωση της ολκιµότητας δοκιµίου, ωστόσο δεν επιβεβαιώθηκε πάντα ταυτόχρονα και στις δύο διαµέτρους, ούτε σε όλες τις κατηγορίες πειραµάτων, και δεν αντανακλάται ταυτόχρονα σε όλα τα µηχανικά χαρακτηριστικά. Με έκθεση των δοκιµίων στους 600 ο C για µισή ώρα ξεκινά η κατάλυση της δοµής του TEMPCORE, φερριτοπερλιτικός πυρήνας µπαινιτική ενδιάµεση ζώνη µαρτενσιτικός φλοιός και τα φαινόµενα διάχυσης είναι εντονότερα. Σαν αποτέλεσµα αυτού οι µηχανικές ιδιότητες ξεκινούν να εµφανίζουν πτωτική τάση, ανεξάρτητα από τη µηχανική κατεργασία που έχει προηγηθεί. Μετά από έκθεση για 40 λεπτά στους 750 ο C, τα δοκίµια της κατηγορίας Χ.Ο.Σ. S500s χάνουν το µαρτενσιτικό φλοιό τους και σαν συνέπεια αυτού τη σκληρότητά τους, προσοµοιάζοντας τη δοµή και τα χαρακτηριστικά της αµέσως υποδεέστερης κατηγορίας χάλυβα, S220, που χαρακτηρίζεται από µειωµένη αντοχή σε θραύση και υψηλή ολκιµότητα. Ταυτόχρονα, µε τη µερική ωστενιτοποίηση του χάλυβα, επιτυγχάνεται οµογενοποίηση των κόκκων, άρα και της δοµής του µετάλλου. Αυτό εξηγεί και το γεγονός ότι οι όποιες διαφορές στις τιµές των µηχανικών ιδιοτήτων που οφείλονται σε µηχανική κατεργασία αµβλύνονται µετά από έκθεση στους 750 ο C. Το φαινόµενο αντικατοπτρίζεται στις τιµές του συνόλου των µηχανικών χαρακτηριστικών που εξετάστηκε, σε όλες τις κατηγορίες πειραµάτων και ανεξαρτήτως διαµέτρου του δοκιµίου. Σαν συνέπεια αυτού, συχνά η θραύση των καταπονηµένων θερµικά δοκιµίων επέρχεται εκεί που υπάρχει πρόσθετη καταπόνηση, όπως στα σηµεία εφαρµογής πίεσης από τις σιαγόνες κατά τη δοκιµή εφελκυσµού. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 10

ιάµετρος Τα δοκίµια µικρότερης διαµέτρου, εµφανίζουν ανεξαιρέτως σε όλες τις µηχανικές ιδιότητες και σε όλα τα θερµοκρασιακά πεδία υψηλότερη ποιότητα. Κάτι τέτοιο εξηγείται ενδεχοµένως µε τη βοήθεια της µηχανικής των θραύσεων, σύµφωνα µε την οποία όσο λεπτότερη η διατοµή τόσο υψηλότερα τα µηχανικά χαρακτηριστικά του δοκιµίου. Παράλληλα όµως, παρατηρείται υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα στα δοκίµια µικρότερης διαµέτρου. Η αυξηµένη περιεκτικότητα σε άνθρακα, που αποτελεί εσκεµµένη παρέµβαση στο στάδιο παραγωγής Χ.Ο.Σ., συµβάλει στην αύξηση της τελικής σκληρότητας και αντοχής του προϊόντος. Στα παραπάνω οφείλεται ενδεχοµένως και το γεγονός ότι η επίδραση των µηχανικών και θερµικών καταπονήσεων γίνεται λιγότερο αισθητή στα δοκίµια µικρότερης διαµέτρου. Στο αυξηµένο όριο διαρροής, αλλά και το σχεδόν σταθερό όριο θραύσης των δοκιµίων µικρής διαµέτρου σε σχέση µε τα δοκίµια µεγαλύτερης διαµέτρου οφείλονται οι µειωµένες τιµές του λόγου κράτυνσης που σηµειώνουν. Στην πράξη δοκίµια µεγαλύτερης διαµέτρου αναµένεται να επιτρέψουν σηµαντικότερες παραµορφώσεις πριν από τη θραύση τους. Επίσης, οι υπολογισθείσες τυπικές αποκλίσεις των δειγµάτων των δοκιµίων µικρότερης διαµέτρου είναι γενικά αυξηµένες σε σχέση µε τις τυπικές αποκλίσεις των δειγµάτων µεγαλύτερης διαµέτρου. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει ότι τα µηχανικά χαρακτηριστικά και άρα η παραγωγή προϊόντος µεγαλύτερης διαµέτρου είναι ενδεχοµένως περισσότερο ή ευκολότερα ελεγχόµενη απ ό, τι στην περίπτωση προϊόντων µικρότερης διαµέτρου. ιαγράµµατα Τάσης Παραµόρφωσης Παρατηρήθηκε ότι, στην περίπτωση διαγραµµάτων τάσης παραµόρφωσης των δοκιµίων διαµέτρου 10 παρατηρείται πάντοτε η εµφάνιση πλατώ, ανεξάρτητα από το αν τα δοκίµια εφελκύστηκαν αµέσως µετά τον προεφελκυσµό τους ή µετά από πάροδο χρονικού διαστήµατος και σε αντίθεση µε τα δοκίµια διαµέτρου 20. Για τα προτεταµένα δοκίµια διαµέτρου 20 που δεν έχουν υποστεί θερµική καταπόνηση παρατηρήθηκε ότι η καµπύλη τάσης παραµόρφωσης κάµπτεται νωρίτερα και πιο απότοµα απ ό, τι στα µη προτεταµένα δοκίµια. Αυτό σηµαίνει ότι τα προτεταµένα δοκίµια δεν χάνουν σε ενέργεια µόνον εξαιτίας της αύξησης του ορίου διαρροής τους όσο το όριο θραύσης παραµένει στα ίδια επίπεδα, αλλά επιπλέον και λόγω απότοµης κλίσης της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης κατά την κατάρρευση του δοκιµίου. Προένταση Το εύρος της προέντασης που εξετάστηκε, 3 έως 10 δεν φαίνεται να επηρεάζει τις µηχανικές ιδιότητες του υλικού, αφού ελάχιστες έως αµελητέες ήταν οι διαφορές που εντοπίστηκαν ανάµεσα στα προτεταµένα και τα µη προτεταµένα δοκίµια σε όλα τα µηχανικά χαρακτηριστικά. Από µετρήσεις επιβεβαιώνεται ότι η πραγµατική συνολική επιµήκυνση του δοκιµίου ενδέχεται κατά περιπτώσεις να ξεπερνά κατά πολύ την µετρούµενη τοπική πλαστική παραµόρφωση (προένταση). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 11

Κάµψη Με κάµψη των δοκιµίων αναµενόταν µεγάλη πτώση των χαρακτηριστικών τους στην περιοχή της γωνίας κάµψης, ιδιαίτερα δε για τα δοκίµια εκείνα τα οποία κάµπτονται µε πείρο µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου. Σε µεγαλύτερες διαµέτρους η χρήση µη προδιαγραφόµενου πείρου φαίνεται καταστροφική, τόσο στην σαφή πτώση των µετρούµενων τιµών των µηχανικών ιδιοτήτων, όσο και στις ρωγµατώσεις που εµφανίστηκαν πολύ συχνότερα στα δοκίµια αυτά, κυρίως κατά την επανάκαµψή τους, Οικονόµου (2005). Από µετρήσεις του µήκους της περιοχής γωνίας κάµψης γίνεται φανερό ότι το µήκος της κεκαµµένης και άρα ενδοτραχυµένης περιοχής είναι πολύ µικρό έως αµελητέο στην περίπτωση δοκιµίων µικρής διαµέτρου. Πράγµατι οι τιµές των µηχανικών ιδιοτήτων δοκιµίων µικρότερης διαµέτρου κυµαίνονται γενικά στα ίδια επίπεδα µε εκείνες των µη κατεργασµένων µηχανικά δοκιµίων. Συµπεραίνεται, έτσι, ότι η χρήση πείρου κάµψης µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου φαίνεται να είναι πολύ καταστροφικότερη σε µεγαλύτερες απ ό, τι σε µικρότερες διαµέτρους. Η κάµψη των δοκιµίων έχει παράλληλα και τις εξής δύο επιπτώσεις: Αφενός προκαλεί ενδοτράχυνση του δοκιµίου µε συνεπακόλουθη αύξηση των ατελειών και τελικό αποτέλεσµα την παρεµπόδιση της µεγέθυνσης των κόκκων λόγω θέρµανσης, που θα επέφερε πολύ γρηγορότερη υποβάθµιση των ιδιοτήτων του (τουλάχιστον µέχρι το θερµοκρασιακό επίπεδο των 600 o C, όπου το φαινόµενο διάχυσης υπερισχύει της ενδοτράχυνσης). Αφετέρου, εξασφαλίζει τέτοια σκλήρωση στην περιοχή γωνίας κάµψης που η συντριπτική πλειοψηφία των δοκιµίων σηµείωσε θραύση εκτός της περιοχής γωνίας κάµψης ή στο όριο ακριβώς της περιοχής αυτής µε το µη καταπονηµένο µηχανικά τµήµα του δοκιµίου. Έτσι, συµπεραίνεται ότι, αν και αναµένεται σηµαντική έκπτωση των µηχανικών ιδιοτήτων λόγω µηχανικής καταπόνησης σε κάµψη, ωστόσο µέχρι τους 600 ο C αυτό που επικρατεί είναι το φαινόµενο της ενδοτράχυνσης, το οποίο κρατά το όριο διαρροής και τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά µεγέθη σε επίπεδα ίδια ή στη χειρότερη περίπτωση ελάχιστα µικρότερα από εκείνα των δοκιµίων που δεν υπέστησαν καµιά µηχανική καταπόνηση. Η θραύση στο όριο της περιοχής γωνίας κάµψης µε το µη καταπονηµένο µηχανικά τµήµα του δοκιµίου, καταδεικνύει το πρόβληµα της ύπαρξης διαφορετικής δοµής σε γειτονικά τµήµατα του δοκιµίου, που δρα ως εστία συγκέντρωσης τάσεων, πηγή διάβρωσης και τελικά αίτιο λύσης της συνέχειας του υλικού. Τα δοκίµια τα οποία κάµφθηκαν µε µεγαλύτερη διάµετρο πείρου κάµψης εµφάνισαν µεγαλύτερη δυσκολία στην επανευθυγράµµιση, γεγονός που σηµαίνει ότι είχαν συµπεριφορά σκληρότερου υλικού. Τόσο δε εντονότερα εµφανίστηκε το φαινόµενο αυτό (µε σχηµατισµό W στην περιοχή ανάκαµψης) όσο ψηλότερες ήταν οι θερµοκρασίες έκθεσης των δοκιµίων (600 ο C και 750 ο C). Τέλος, η επίδραση έκθεσης σε υψηλή θερµοκρασία σε δοκίµιο κεκαµµένο µε πείρο µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου φαίνεται πολύ ισχυρότερη απ ό, τι µεµονωµένα η έκθεση σε υψηλή θερµοκρασία των δοκιµίων ή της κάµψης τους µε πείρο µη προδιαγραφόµενης διαµέτρου. Αυτό σηµαίνει ότι µπορεί ο κάθε ένας παράγοντας να µην επιδρά καθοριστικά στην αντοχή του υλικού, η αλληλεπίδρασή τους όµως µπορεί να αποβεί καταστροφική. Ενδείξεις για τον παραπάνω κίνδυνο έδωσαν δοκίµια και των δύο διαµέτρων, Οικονόµου (2005). Για τους λόγους αυτούς προτείνεται να αποφεύγεται η χρήση µη προδιαγραφόµενου πείρου κάµψης σε κάθε περίπτωση και ανεξαρτήτως διαµέτρου του οπλισµού. Στην πράξη, η µελέτη αυτή ταυτίζεται µε τη διερεύνηση της συµπεριφοράς σε συνθήκες πυρκαγιάς µηχανικά καταπονηµένων τµηµάτων του οπλισµού, όπως είναι για παράδειγµα οι αγκυρώσεις ή οι συνδετήρες. Τα αποτελέσµατα των πειραµάτων οδηγούν στο συµπέρασµα ότι, τα στοιχεία αυτά δεν εξασφαλίζουν πάντα µια σταθερή και αξιόπιστη συµπεριφορά σε πυρκαγιά, 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 12

γεγονός που υποδηλώνει την ανάγκη χρήσης, αντισταθµιστικά, υψηλότερων συντελεστών ασφαλείας στις µελέτες κατασκευών. 8 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Κανονισµός Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισµού Σκυροδέµατος (Κ.Τ.Χ.) ΦΕΚ 381/Τ Β /24.3.2000. Νικολάου Ι., (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τµήµα Μεταλλειολόγων Μηχανικών Μεταλλουργών), 2004, Λειτουργικές Ιδιότητες Χαλύβων Οπλισµού Σκυροδέµατος και οι Συγκολλήσεις τους, Αθήνα. Οικονόµου Α., (Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Τοµέας Βιοµηχανικής ιοίκησης), 2000, Εφαρµογή Τεχνικών Βελτίωσης Ποιότητας µε σχεδιασµό παραµέτρων σε ποιοτικά χαρακτηριστικά προϊόντος χάλυβα, Θεσσαλονίκη. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 13